燃料电池和电解槽模块更新

COMSOL Multiphysics® 6.0 版本为“燃料电池和电解槽模块”的用户引入了新的材料库、膜水传输和寄生电流的预定义公式,以及新的混合气/液域设置。请阅读以下内容,了解燃料电池和电解槽更新的更多信息。

新增燃料电池和电解槽材料库

新增的燃料电池和电解槽材料库包含水碱性电解质、熔融碳酸盐电解质、聚合物电解质和固体氧化物电解质的属性。Nafion™ 膜属性包含电渗曳力、吸水率、气体渗透率和随湿度变化的离子电导率。

PEM 燃料电池模型,以 Rainbow 流线显示气体流场。 用材料库中的聚合物电解质材料模拟的质子交换膜 (PEM) 燃料电池。结果显示了气体流场,氢气阳极侧采用直通道,空气阴极侧采用扁平的网格结构。


以下教学案例采用了新增材料库中的材料:

吸附-解吸物质

现有电极表面 边界条件的建模功能已经通过一组预定义的方程进得到扩展,这些方程可以跟踪表面位置占有率和吸附物质的表面浓度。通过新增的吸附-解吸物质 栏,您可以结合多步骤电化学反应,对电极表面的吸附-解吸动力学和热力学问题进行建模。

通孔模型,以 Rainbow 颜色表显示浓度变化。 铜沉积后通孔的变形几何形状中的浓度变化。

燃料电池和电解槽中跨膜的物质传递

燃料电池和电解槽中,溶解的气体在氢气室和氧气室之间可能会有一定程度的扩散,通常很难阻止氢的传输,现在的膜条件支持对此进行分析。氢燃料电池水电解槽 接口现已更新,其中包含膜燃料电池和电解槽中的氢、氧和氮的交叉反应。氢和氧之间的反应被认为是一种寄生反应,会降低整个过程的效率。此外,您可以分析水蒸气的渗透,并定义电渗水曳力(与质子的相互作用导致水分子传递)。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“氢燃料电池”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示一维绘图。 设置窗口显示了 膜传递栏,您可以在此栏中包含来自各自隔室的氧气和氢气,以及电渗水曳力。

您可以在以下教学案例中查看这一新特征的应用演示:

碱性电解槽的混合气/液域

当水被电解时,氢气和氧气分别在阴极和阳极室中产生。气泡改变了电极室中的流场,还可能降低电极间夹带的气泡的电解质电导率。水电解槽 接口现在可以分析电极室中氢气和氧气的体积分数,您可以从模型树中的气体-电解质室 域节点中设置此功能。您可以在碱性电解槽教学案例中查看这一新特征的应用演示。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“氢气-电解质室”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示电解槽模型。 氢气室(左)和氧气室(右)中液体电解质的速度。电解质随着电池左右两侧平面电极表面气体析出所提供的浮力而加速。图中还显示了欧拉-欧拉两相流接口中体积力的 设置窗口。水电解槽接口中新增两个 气体-电解质室特征,分别用于氢气室和氧气室。

燃料电池和电解槽中气体域的冷凝-蒸发

水的冷凝和蒸发影响燃料电池和电解槽的传递属性和能量平衡,在高保真模型中,我们必须考虑这些过程。为此,新版本新增了预定义的水冷凝-蒸发 特征,可供您将这些过程添加到气体域。通过使用此功能,分析燃料电池和电解槽中的冷凝和蒸发变得更加容易。您可以在含液态水的燃料电池阴极教学案例中看到这一新特征的应用演示。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“水冷凝-蒸发”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示燃料电池阴极模型。 水冷凝-蒸发特征的 设置窗口,用于分析液态水的冷凝以及液态水在燃料电池单电池的气体扩散电极中的传输。

燃料电池和电解槽中氢气室内的水气变换反应

燃料电池和电解槽中氢气室内的一氧化碳可能会使催化剂中毒。解决中毒问题的一个方法是开发包含用于水气变换反应 (WGSR) 的催化剂的设计。在这个反应中,一氧化碳与水氧化产生二氧化碳和氢气,在燃料电池中,氢气可以进一步提升阳极性能。在 COMSOL Multiphysics® 6.0 版本中,新增一个预定义的水气变换反应 特征,您可以使用此特征将 WGSR 添加到氢气室。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“水气变换反应”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示燃料电池模型。 水气变换反应特征的设置。

Brinkman 方程接口的多孔滑移

多孔介质流动的边界层可能非常薄,在 Brinkman 方程模型中求解不切实际。通过新的多孔滑移 壁处理特征,您可以在不解析边界层中的全流动剖面的情况下对壁进行分析。而应力条件应用于表面,通过利用边界层速度剖面的渐近解,获得相当高的本体流动精度。该功能在 Brinkman 方程 接口的设置 窗口中激活,然后用于默认的壁条件。您可以在涉及由 Brinkman 方程描述的地下水流以及模型域较大的大多数问题中使用这一新特征。

多孔反应器模型,以 Rainbow 颜色表显示流场和浓度。 多孔反应器模型的流场和浓度场。

多孔介质传热

多孔介质传热功能已经过改进,现在更方便用户使用。“传热”分支下现在提供新的多孔介质 物理领域,包括多孔介质传热局部热非平衡填充床传热 接口。所有这些接口在功能上都是相似的,不同之处在于这些接口内的默认多孔介质 节点分别选中以下选项:局部热平衡局部热非平衡填充床。上文已经描述了后一个选项,局部热非平衡 接口取代了多物理场耦合,并且对应于一个双温度模型:一个用于液相,一个用于固相。由于液相中的强对流和固相中的高传导(如金属泡沫),典型应用可能涉及多孔介质的快速加热或冷却。选择局部热平衡 接口后,新的平均选项可用于根据多孔介质配置定义有效导热系数。

此外,后处理变量可统一用于三种类型多孔介质的均质量。您可以在以下现有教学案例中查看新增的多孔介质:

多孔介质中的非等温流动

新增的非等温流动,Brinkman 方程 多物理场接口自动添加了多孔介质中传热与流体流动的耦合特征,将多孔介质传热Brinkman 方程 接口耦合起来。

以 HeatCamera 颜色表显示温度的多孔结构。 “多孔介质中的自然对流”教学案例采用了新增的非等温流动功能,图中显示受温度梯度影响的多孔结构中的温度 (K) 和随后的自然对流。

大幅改进多孔材料的处理

多孔材料现已在多孔材料 节点的相特定的属性 列表中定义。此外,您可以为固体和流体特征添加子节点,从中可以为每个相定义多个子节点。这样就可以将一种相同的多孔材料用于流体流动、化学物质传递和传热,而无需复制材料属性和设置。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“多孔材料”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示填充床反应器模型。 多孔材料的新 材料节点,以填充床的多尺度模型为例。

非等温反应流

新版本引入了非等温反应流 多物理场接口,可以自动建立非等温反应流模型。反应流 多物理场耦合现在包含耦合化学传热 接口的选项。利用这种耦合,可以在模型中包含热量和物质方程之间的交叉贡献,如相变焓或焓扩散项。不同量和材料属性的温度、压力和浓度依赖性也自动包含在内,从而可以使用相应的预定义变量执行热和能量平衡。

管式反应器模型,以 Rainbow 和 HeatCamera 颜色表显示温度分布。 管式反应器中的温度分布。

新增和更新的教学案例

COMSOL Multiphysics® 6.0 版本的“燃料电池和电解槽模块”引入了多个新增和更新的教学案例。